專利名稱：概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法
技術領域：
本發明屬于機械設計與自動化領域，具體涉及一種基于粗集理論的概念設計中方案決策方法。
背景技術：
概念設計從不同的角度有多種定義，目前兩種比較權威的定義是G.Pahl和 W. Beitz在著作Engineering Design中，將概念設計定義為“在確定任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案， 這部分設計工作叫做概念設計。”M. J. Frence在著作Conceptual Design for Engineers 中將概念設計定義為“概念設計是考慮設計問題的內容，并以方案的形式提出諸多的解的設計階段。”。概念設計具有創新性、多樣性、層次性和殘缺性等特點。粗集理論是從知識分類的角度出發的新的數據推理方法，在模式識別、決策支持、 知識推理、故障診斷、機器學習等領域有廣泛應用。在工程中粗集理論的應用主要集中在知識挖掘和約簡這兩個方面。在機械產品概念設計階段，獲得的產品信息是定性的、不精確、不確定、不完全的， 目前常用的方案決策方法有模糊集法和層次分析法是兩種評價方案的傳統方法。模糊集中隸屬函數值一般是由專家給定的，具有較強的主觀性；粗集理論中隸屬函數是根據論域數據所暗含的分類知識計算出來的，具有較強的客觀性。粗集理論最大優勢是不需要任何額外數據信息，而模糊集和概率統計等處理不確定信息時需要數據的附加信息或先驗知識， 如模糊隸屬函數和概率分布等。層次分析法是復雜產品設計過程中常用決策方法，在決策時根據設計人員經驗對備選方案進行ι 9標度，即用1 9表示好壞程度把方案優劣進行定量化處理。層次分析法過程為劃分層次結構、構造判斷矩陣、層次排序和一致性檢驗。 與粗集理論相比層次分析法標度具有主觀性而且過程復雜。需求的發現和滿足是產品設計的起點和歸宿。概念設計的任務是滿足市場的需求，其中的創意、構思也來源于對市場需求的理解。因此概念設計的第一步是對市場需求調研、分析，建立需求集合。在以往知識、經驗的基礎上，對需求進行分析、抽象，得到準確的產品總功能。再把總功能分解到不可再分的功能元，功能元映射到行為。由于用不同結構可以實現相同的行為動作，因此將這些結構按規則組合得到能夠實現總功能的概念產品族。對概念產品族評價最終得到最優的概念產品方案。由于產品概念設計時的殘缺性，實際設計中往往是從“功能-行為-結構”再從“結構-行為-功能”的反復耦合過程。傳統的概念設計的結構和流程如圖1所示。概念設計具有創新性，為了提高設計速度、降低設計成本，大部分結構并不是從無到有的完全意義上的創新，而是采用基于以往知識、經驗和實例的設計重用。設計重用體現了 “功能-結構”映射的過程，基于知識和實例把產品的“功能-行為-結構”的映射簡化為“功能-結構”的一對多映射。在結構的組合成產品族過程中也是一對多的關系，從而保證了產品方案的多樣性；但由于結構的多樣性在組合時容易產生“組合爆炸”。
由上述比較，粗集理論更具有客觀性，不需要額外先驗知識，最大限度地利用了實例庫中原始數據，而且過程簡單、快捷。如何把粗集理論(Rough Set, RS)引入到產品的概念設計中，根據用戶的定性要求進行結構方案的選擇，同時在“功能-結構”映射時盡量去除冗余的結果，避免“組合爆炸”，減少產品方案的數量是本發明要解決的問題。
發明內容
本發明提供了一種解決上述問題的方案，提供一種簡單、高效的概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法。本發明的技術方案是提供一種概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法，其包括產品設計實例，所述產品設計實例中包括產品設計要求，其特征在于其包括以下步驟1)將所述產品設計實例分解若干個最小功能和最小結構；2)將以1)中的所述最小功能為條件屬性、所述最小結構為決策屬性，建立決策表；3)將1)中得到的所述最小功能按其功能的優劣程度離散成若干個區域；4)將3)中所述區域泛化成語言或數字，填入所述決策表；5)用粗集理論對所述決策表進行簡化；6)根據所述產品設計要求檢索所述決策表，得到若干個符合要求的結構方案；7)在所述結構方案中篩選出最佳方案。優選的，所述步驟5)中簡化所述決策表的步驟為1)求出所述決策表中的重復對象；2)屬性化簡集的核，計算化簡集；確定最佳化簡集；其具體的方法為設有兩集合族G、R，其中r是R中的某一等價關系，如 P0S(R-{r}) (G) =POSR(G),則稱r是關于G可省略的，否則為G不可省略的。如R中的任意元素是不可省略的，稱R是獨立的。設HGR, H是獨立的，若POSH(G) =POSR(G),則稱H 為R的G簡化(Reduction)，R的化簡集記為RED (R)。從定義可知G關于H和R的下近似是相同的，即維持了與R相同的分類能力。R中所有不可省略關系的交集，稱為R的核(Core) 記為CORE(R)JP CORE(R) =H RED (R)，核中的屬性是影響分類的重要屬性。3)生成最小分類決策規則，建立簡化的決策表。其具體的方法為一個數據表知識表達系統S可表示為S = <U，C U D，V, F>其中U表示論域；C U D是屬性集合，子集C和D為條件屬性和決策屬性；V = ValXVa2XVa3X. . . Van表示屬性C U D的值域，Va表示屬性a的值域；F:UXA —V表示從VXA到V的信息映射，定義—Va。設屬性集合B= {bl , b2 , b3 , K , bm} [ (C UD) ,VB = VblXVb2XVb3XKX. . . Vbm ；定義映射FB =U — VB表示關于屬性B的屬性值。 把論域U分為條件屬性和決策屬性，信息系統就成為決策表。本發明的概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法在產品設計決策中應用更具有客觀性粗集理論，不需要額外先驗知識，最大限度地利用了實例庫中原始數據，而且過程簡單、快捷、高效且準確。
圖1是現有產品概念設計中的層次結構和流程；圖2是應用實例中的傳統大尺寸圓頂；圖3是應用實例中的小尺寸圓頂；圖4是應用實例中的開啟式圓頂；圖5是應用實例中的開啟式和百葉窗圓頂；圖6是應用實例中的露天式圓頂；圖7是應用實例中的露天式和擋風罩圓頂；圖8是應用實例中的球式圓頂。
具體實施例方式下面對本發明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。本發明的一種概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法包括以下步驟1)將產品設計實例分解若干個最小功能和最小結構；2)將以1)中的最小功能為條件屬性、最小結構為決策屬性，建立決策表；3)將1)中得到的最小功能按其功能的優劣程度離散成若干個區域；4)將3)中區域泛化成語言或數字，填入決策表；5)用粗集理論對決策表進行簡化；6)根據產品設計要求檢索決策表，得到若干個符合要求的結構方案；7)在結構方案中篩選出最佳方案。其中，步驟5)中簡化決策表的步驟為1)求出決策表中的重復對象；2)屬性化簡集的核，計算化簡集；(此處不太理解，需要補充說明)3)確定最佳化簡集；(此處不太理解，需要補充說明)4)生成最小分類決策規則，建立簡化的決策表(此處不太理解，需要補充說明)。其中，決策表的建立與化簡的方法進一步說明如下一個數據表知識表達系統S可表示為S = <U，C U D，V，F>其中U表示論域； C U D是屬性集合，子集C和D為條件屬性和決策屬性；V = ValXVa2XVa3X...Van表示屬性C U D的值域，Va表示屬性a的值域；F :UXA — V表示從VXA到V的信息映射，定義阼山一Va。設屬性集合 B= {bl , b2 , b3 , K , bm} ^ (C U D) ,VB = VblXVb2XVb3XKX. . . Vbm ；定義映射FB =U — VB表示關于屬性B的屬性值。把論域U分為條件屬性和決策屬性，信息系統就成為決策表。設有兩集合族G、R，其中r是R中的某一等價關系，如P0S(R-{r}) (G) =POSR(G), 則稱r是關于G可省略的，否則為G不可省略的。如R中的任意元素是不可省略的，稱R是獨立的。設HGR, H是獨立的，若POSH(G) = POSR (G)，則稱H為R的G簡化(Reduction)， R的化簡記為RED(R)。從定義可知G關于H和R的下近似是相同的，即維持了與R相同的分類能力。R中所有不可省略關系的交集，稱為R的核(Core)記為CORE (R) JPCORE(R)= Π RED(R)。核中的屬性是影響分類的重要屬性。用粗集理論進行決策表的簡化首先求出決策表中的重復對象和屬性化簡集的核； 其次，計算化簡集，確定最佳化簡集；最后，生成最小分類決策規則，建立簡化的決策表。決策表的化簡結果不盡相同，但屬性化簡集的核是唯一的。下面以ー個具體的實例來說明本發明的具體應用天文圓頂在天文觀測中是不可缺少的一部分，它是保存天文望遠鏡的地方，同時 為天文望遠鏡提供ー個觀測的環境。顯像視寧度(seeing)又稱視寧度，指望遠鏡顯示圖像 的清晰度。對視寧度影響程度是判斷圓頂優劣的主要指標。天文圓頂結構形式有八種類 型，本文對其中常用的七種進行分析(1)傳統大尺寸圓頂的特點是體積大，由于封閉性好 望遠鏡受風カ影響較小，通風性差圓頂內外溫差高引起空氣對流因此視寧度較差，見圖2 ；
(2)小尺寸圓頂對傳統大尺寸圓頂進行了改造，減小了體積，但視寧度的改善不大，見圖3；
(3)開啟式圓頂進一步減小了圓頂的尺寸，由于通風性較好，內外溫差不大，視寧度也有所 改善，但望遠鏡受風振影響較大，見圖4; (4)完全開啟式圓頂在開啟式圓頂上加了百葉窗， 在保證通風充分的基礎上，由百葉窗的遮擋，減小了風振的影響，見圖5 ;(幻露天式圓頂， 觀測時望遠鏡完全暴露在露天環境下，視寧度最好，但風振的影響較大見圖6 ;(6)露天式 圓頂加擋風罩，減小了露天式圓頂的風振的影響，見圖7 ;(7)球式圓頂加擋風罩，把鏡筒和 圓頂融為一體，降低了造價，通風性和視寧度和開啟式圓頂相當，由于風カ直接作用在鏡筒 上，風振位移較大，見圖8。把上述七種圓頂的主要屬性值泛化，列于表1，第2，3列“0”代表小，“ 1 ”代表中， “2”代表大；第4，5列“0”代表差，“ 1，，代表一般，“2”代表好；第6列“0”代表對視寧度影 響大，“ 1，，代表對視寧度影響一般，“2”代表對視寧度影響小。表1泛化后的不同類型圓頂決策表
權利要求
1.概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法，其包括產品設計實例，所述產品設計實例中包括產品設計要求，其特征在于其包括以下步驟1)將所述產品設計實例分解若干個最小功能和最小結構；2)將以1)中的所述最小功能為條件屬性、所述最小結構為決策屬性，建立決策表；3)將1)中得到的所述最小功能按其功能的優劣程度離散成若干個區域；4)將3)中所述區域泛化成語言或數字，填入所述決策表；5)用粗集理論對所述決策表進行簡化；6)根據所述產品設計要求檢索所述決策表，得到若干個符合要求的結構方案；7)在所述結構方案中篩選出最佳方案。
2.根據權利要求1所述的概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法，其特征在于 所述步驟5)中簡化所述決策表的步驟為1)求出所述決策表中的重復對象；2)屬性化簡集的核，計算化簡集，確定最佳化簡集；3)生成最小分類決策規則，建立簡化的決策表。
全文摘要
發明公開了概念設計中的基于粗集理論的方案決策方法，其包括產品設計實例，所述產品設計實例中包括產品設計要求，其特征在于其包括以下步驟1)將所述產品設計實例分解若干個最小功能和最小結構；2)將以1)中的所述最小功能為條件屬性、所述最小結構為決策屬性，建立決策表；3)將1)中得到的所述最小功能按其功能的優劣程度離散成若干個區域；4)將3)中所述區域泛化成語言或數字，填入所述決策表；5)用粗集理論對所述決策表進行簡化；6)根據所述產品設計要求檢索所述決策表，得到若干個符合要求的結構方案；7)在所述結構方案中篩選出最佳方案。
文檔編號G06F17/50GK102521455SQ201110419528
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者丁月, 紀愛敏, 苑明海, 郭平芳 申請人:河海大學常州校區